速凝水泥基注漿材料及其耐腐蝕性

馬召林 陽勇福 焦雷 王玉江

1中鐵隧道勘測設計研究院（471009）2洛陽理工學院材料科學與工程學院（471023）3河南省特種防護材料重點實驗室（471023）

速凝水泥基注漿材料及其耐腐蝕性

馬召林1陽勇福2,3焦雷1王玉江2,3

1中鐵隧道勘測設計研究院（471009）2洛陽理工學院材料科學與工程學院（471023）3河南省特種防護材料重點實驗室（471023）

廈門本島至翔安海底隧道采用普通水泥單液漿加固圍巖。為提高圍巖的抗滲性能，改善耐海水腐蝕性能，采用普通水泥漿液摻加無堿外加劑的形式制備耐腐蝕速凝注漿材料。試驗結果表明，在水灰比0.65～1.0范圍內，調整漿液配合比，漿液流動度可達到230～270 mm，初凝時間小于2 h，具有良好施工性能；注漿材料結石體早期強度發展快，后期強度高且無倒縮現象。注漿材料具有微膨脹特性，內部孔徑細化，具有良好的抗滲性能，抗滲等級大于P8，滿足工程抗滲需求，具有良好的耐海水腐蝕性能。

水泥基注漿材料；速凝；抗滲性能；耐海水腐蝕性；流動度

福建廈門本島至翔安過海通道是我國大陸地區第一座海底隧道，也是當今世界最大斷面的鉆爆法海底隧道。二襯支護結構設計壽命為100年，為保證支護結構混凝土良好的耐久性能，采用水泥基注漿材料加固圍巖，要求混凝土外圍圍巖注漿材料結石體在具有良好的抗壓強度的同時，還要求水泥基注漿材料具有良好的抗滲性能，阻止或延緩地下水向支護結構的滲透，起到第一層保護作用。水泥基注漿材料可分為普通水泥單液漿和普通水泥-水玻璃雙液漿[1]。普通水泥單液漿材料來源豐富，價格低廉，但其膠凝時間不易調節，存在強度低、收縮大等現象，易出現裂縫而成為滲漏通道；普通水泥-水玻璃雙液漿具有膠凝時間可控等優點，但膠結體后期強度低，耐久性差，受水長期浸泡容易分解，不適合長期堵水和加固圍巖[2-3]。

1 試驗

1.1 試驗原材料

水泥采用普通硅酸鹽水泥（P·O42.5），水泥比表面積為360 m2/kg。采用無堿速凝劑（Setting Accelerator，SA）調節漿液凝結時間，速凝劑為液體，固含量23%，pH值約為2。采用聚丙烯酰胺（PAM）改善漿液結石體孔結構，其分子量約為500萬，配制成1%的水溶液備用。采用聚羧酸減水劑（PCE）改善漿液流動性，其固含量約為40%。

1.2 試驗方法

以P·O42.5水泥為基材,研制高抗滲注漿材料，進行相關物理性能的檢測。

1.2.1 凝結時間與流動度

稱取500 g水泥,按設定水灰比量取拌合水，并將無堿速凝劑、減水劑及聚丙烯酰胺均溶于拌合水中，用水泥凈漿攪拌機快速攪拌漿體60 s，然后分別測定注漿液的凝結時間和流動度。注漿材料的凝結時間參照GB/T 1346《水泥標準稠度用水量、凝結時間、安定性檢驗方法》進行測定，流動度參照GB/T 8077《混凝土外加劑均質性試驗方法》中的“水泥凈漿流動度”進行檢測。

1.2.2 強度

強度測試試件分為兩類：一類為空白樣，即水泥、水及保水劑配制的漿液結石體。為防止空白樣水泥漿體泌水，攪拌凈漿時摻入適量保水劑，以保證試塊體積完整性。另一類為注漿材料，即水泥、水及外加劑（無堿速凝劑、聚羧酸減水劑和聚丙烯酰胺）配制的漿液結石體。將漿液成型為40 mm×40 mm× 160 mm的試塊，硬化后拆模，并測算漿液的結石率（結石體體積與漿液體積之比）。拆模后的試塊首先放在20±2℃的淡水中養護，28 d后取出一組（3個試塊）置于廈門海域海水（人工海水）中養護。參照GB/T 17671《水泥膠砂強度檢驗方法（ISO法）》分別測定試塊不同齡期的強度,每個齡期一組3個試塊，取其平均值。

1.2.3 抗滲性

參照GB/T 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》中的“抗水滲透試驗”方法成型漿體試塊，每組6個試塊。脫模后試塊在標準養護箱內（溫度20±1℃，相對濕度RH≥90%）養護28 d，然后進行抗水滲透試驗。采用逐級加壓法加壓至0.9 MPa（設計抗滲等級≥P8）來測試試塊的抗滲性能,并將端面未出現滲水情況的試塊劈裂，進行滲水高度測量。

1.2.4 膨脹特性

將漿液成型為40 mm×40 mm×160 mm的試塊，試塊兩端固定有釘頭。試件在（20±1）℃、相對濕度RH≥90%的環境養護，空白樣2 d后拆模，注漿材料1 d后拆模，分別測定基準長度，然后試塊置于人工海水中養護，在規定齡期測定棱柱體的變形量。試塊變形量測定時環境溫度保持穩定（20±1℃），每組共3個試塊，計算結果取平均值。試件各齡期的線膨脹率計算公式如下。

式中：εt為試件在t天齡期的膨脹率，%；Lt為試件在t天齡期的長度，mm；L0為試件的基準長度，mm；L為試件的有效長度，棱柱體試件的有效長度為150 mm。

2 試驗結果與討論

2.1 外加劑的優化選擇

為了加快凝結速度，在注漿材料中加入無堿速凝劑，同時，為保證漿液的可注性，加入減水劑以提高漿液流動度。試驗以凝結時間和漿液流動度為考察指標，根據表1所示試驗方案開展了大量試驗工作，對外加劑進行優化選擇。

表1 外加劑優化選擇試驗方案

在水灰比0.5～1.0范圍內,速凝劑的摻入對漿液流動度的影響非常大。隨著速凝劑摻量的增加，漿液流動度大幅降低，凝結時間縮短。減水劑的摻入可有效增大漿液的流動度，但凝結時間延長。根據不同配比下漿液的流動度和凝結時間，得到最終優化結果如表2所示。

表2 優化選擇的注漿材料的工作性能

試驗選擇3個注漿常用水灰比，漿液流動性良好，可保證漿液的可注性。同時，漿液的初凝時間小于2 h，終凝時間小于3 h，可滿足不同部位工程施工需求。

2.2 注漿材料的性能

試驗中選用了3個水灰比配制漿液，水灰比分別為0.65、0.8和1.0。空白樣中摻入適量保水劑以保證試塊具有較高的結石率，注漿液摻入外加劑。

1）結石率

漿液結石率將影響注漿填充效果。空白樣分為兩組，一組摻有一定量的保水劑，保證漿液結石體體積的完整性，用于結石率及強度檢測；一組不摻保水劑，僅檢測漿液結石率。

隨著水灰比增大，空白樣漿液越容易出現泌水現象，漿液結石率下降。注漿材料具有良好的結石率，即使水灰比為1.0時，漿液結石率也在99%以上。結石率高，漿液穩定性好，則有利于改善填充效果，減少外來有害物質的滲透，提高抗滲性能。

2）抗壓強度

水灰比增大，結石體的強度降低，而隨著養護時間的延長，空白樣結石體與注漿材料結石體的抗壓強度均不斷增長，且在同水灰比條件下，注漿材料的抗壓強度高于空白樣。外加劑的摻入對注漿材料結石體早期強度的提高非常明顯：空白樣在1 d時尚不能拆模，強度非常低；而摻有外加劑的注漿材料Z0.65、Z0.8和Z1.0結石體的1 d抗壓強度分別為7.8 MPa、4.7 MPa和2.3 MPa。Z0.65、Z0.8和Z1.0結石體28 d抗壓強度分別達到23.5 MPa、15.9 MPa和9.7 MPa，相比于同水灰比的空白樣結石體，28 d時抗壓強度分別增長24.3%、8.9%和61.7%。后期（28～90 d）結石體抗壓強度的增長緩慢，基本保持穩定。區別于淡水養護條件下結石體的強度發展趨勢，后期（28～90 d）海水養護條件下結石體的抗壓強度均有較大增長。90 d時，海水養護注漿材料Z0.65、Z0.8和Z1.0結石體的抗壓強度分別為29.9 MPa、21.0 MPa和12.3 MPa，相比于淡水養護90 d時同水灰比結石體的抗壓強度分別增大6.0 MPa、5.0 MPa和2.0 MPa。

3）抗滲性

參照GB/T 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》中的“抗水滲透試驗”方法成型頂面直徑175 mm、底面直徑185 mm、高度150 mm的漿體試塊，每組6個試塊，進行抗水滲透試驗。

水灰比對試件的抗水滲透性能影響較大。隨著水灰比增大，試塊平均滲水高度增大，端面滲水試塊個數變多。注漿材料的抗滲性能優于同水灰比的空白樣。空白樣C0.8在水壓0.9 MPa下已有2個試塊端面出現滲水現象，4個端面未滲水試塊的平均滲水高度達到了143.9 mm，抗滲等級為P8；空白樣C1.0的6個試塊端面均已滲水，抗滲等級低于P8。而對于注漿材料試塊而言，即使是水灰比達到1的Z1.0試塊，其抗滲等級也高于P8。

注漿材料抗滲性能的提高與其氣孔結構的改善有關。對淡水養護28 d的試塊根據阿基米德原理采用靜力稱重法測定，計算其體積、密度、氣孔率及吸水率[5]。

4）體積穩定性

體積穩定性是評價注漿材料耐久性的一個重要指標。通過測定海水養護條件下不同齡期的漿液結石體的體積變形，來評價注漿材料的耐久性。如果漿液結石體在海水長期浸泡下，體積產生較大收縮,很可能會在巖體裂隙中產生新的滲水通道，堵水效果下降；如果漿液結石體在海水長期浸泡下體積產生過大膨脹,則漿液結石體內部形成膨脹性產物，也可能導致開裂產生滲水通道。海水養護下空白樣結石體及注漿材料結石體的膨脹率如圖1所示。

圖1 海水養護下結石體的膨脹率

結石體在早期快速膨脹，且注漿材料的膨脹率大于同水灰比的空白樣。空白樣的早期膨脹可能是由于結石體的濕脹所致，而注漿材料的膨脹除了濕脹外，還有結石體內形成鈣礬石引起的膨脹。在后期，空白樣體積不斷收縮，而注漿材料體積基本保持穩定，具有微膨脹特性。注漿材料結石體的微膨脹有利于地層孔洞空間的密實填充,提高其抗滲性。

在沿海地表區域，受到海水浸漬和溯河倒灌作用，在蒸發作用下，土壤表層含鹽量超過鹽漬淤泥，地下水礦化度也因蒸發濃縮而增高。注漿漿液結石體在海水中受到侵蝕的主要離子為Mg2+，為了加速結石體的破壞過程，將在淡水中養護28 d的結石體試塊浸泡在MgSO4飽和溶液中，觀察其體積變形，結果如圖2所示。

圖2 飽和MgSO4溶液養護下結石體的變形

從圖2可以看出，MgSO4飽和溶液養護時,注漿材料結石體與空白樣結石體在早期均有一定程度的收縮，但注漿材料的收縮程度更大。在后期，試塊均表現出快速膨脹：高水灰比結石體的膨脹速率大，而同水灰比條件下空白樣結石體的膨脹速率較大。MgSO4飽和溶液與海水相比，Mg2+的濃度大大提高，加速了試塊的侵蝕，前面孔隙率檢測結果顯示雖然注漿材料結石體的孔隙率較大，但其連通孔較空白樣結石體少，內部孔徑細化，抗滲性良好，Mg2+不容易滲透進入結石體內部發生侵蝕反應，因而其耐久性得到改善。

3 結論

1）注漿液的流動性與凝結速度呈矛盾關系。工程注漿時,在水灰比0.65～1.0范圍內，根據施工面層情況調整漿液配合比，注漿液流動性良好，初凝時間小于2 h，終凝時間小于3 h，可滿足不同部位工程施工需求。2）無堿速凝劑與水泥漿液快速反應生成鈣礬石，降低體系自由水量，促進水泥水化硬化。因此，注漿材料漿液結石率高，早期強度快速增長，后期強度穩定。3）注漿材料氣孔孔徑減小、封閉孔的形成及結石體的微膨脹特性有利于注漿材料抗滲性能的提高,從而改善注漿材料耐海水腐蝕性能。

[1]劉文永.注漿材料與施工工藝[M].北京：中國建材工業出版社,2008.

[2]楊建康,陸海軍,李繼祥,等.水泥-水玻璃雙液注漿材料工程性能及孔隙結構[J].大連理工大學學報,2016,56(3)： 252-256.

[3]豆海軍.復合水泥基-水玻璃雙液注漿材料性能及微觀特性研究[D].北京：中國地質大學（北京）,2014.

[4]沈威.水泥工藝學[M].武漢：武漢理工大學出版社,2005.

[5]李方文,吳建鋒,徐曉虹,等.成型壓力對基體體積密度、吸水率和顯氣孔率影響的探討[J].中國陶瓷,2007,(4)：25-27.